岩石滲透性

岩石滲透性（permeability of rocks）流體（通常指地下水和石油）在動力作用下在岩石中的流動稱為岩石滲流，岩石被流體滲過的性能稱為岩石的滲透性。

基本介紹

• 中文名：岩石滲透性
• 外文名：permeability of rocks
• 本質：動力作用下岩石的特性
• 公式：v=KJ Q=KJA
• 定律：達西滲流定律

概述

岩石滲透性（permeability of rocks）是流體（通常指地下水和石油）流動通過岩石的能力。岩石滲流對岩石力學性質有重要的影響，它會改變岩石的受力情況，引起岩石變形、破裂、軟化、泥化或溶蝕，從而危及岩體的穩定性。因此岩石滲透性是岩石力學的主要研究內容之一。

滲透性基本規律

水在岩石中的滲流是一個很複雜的問題，至今還沒完全研究清楚。工程上為了便於探討，往往把水在岩石中的流動假定為同在其他邊界條件下的流動一樣，分為層流和非層流，並借用水力學和流體力學的原理和方法進行研究。在層流動動中，水頭損失與流速呈線性關係，是1852年法國H.-P.-G.達西用砂土作實驗得出的。實驗用的砂土具有均勻分布的互相連通的孔隙，即所謂連續多孔介質。通過試驗，得出被稱為達西滲流定律的下述公式：

v=KJ

或　Q=KJA，式中v為滲透流速；K為比例常數,稱為滲透係數；J為水力坡降，表示滲透水流沿流向每前進單位距離時的水頭損失；Q為滲透流量；A為垂直於滲流方向的截面積。在層流運動中水流平穩，水質點的運動軌跡互相平行。
在非層流運動中，一般假定水頭損失與流速呈非線性關係：

v=K┡J1/m，

式中K┡為非層流時的滲透係數；m為非線性指數,通常為1～2。在非層流運動中，水流不平穩，水質點的運動軌跡互相穿插。
地下水在岩石中的滲流大都以層流運動為主。只有當水力坡降很大，岩石中存在大裂隙，大空洞，水流湍急時，才出現非層流。
滲流水不是通過整個斷面，而只通過岩石中的貫通的孔隙或裂隙流動，因此流動的實際平均速度大於達西定律所列的。但為方便起見，工程上仍按達西定律計算。

滲透係數

岩石不是連續多孔介質，它的滲透係數也不是常數， 因為受到滲透壓力、 岩石中的應力狀態、溫度、 地下水的物理化學性質的影響。 為了便於計算，通常還是假定為常數。對於不包含裂隙的岩塊，進行室內試驗所得出的滲透係數見表1。

表1岩塊的滲透係數

類型	K(cm/s）
砂岩	10～10
粉砂岩	10～10
花崗岩	5×10～2×10
板岩	7×10～1.6×10
角礫岩	4.6×10
灰岩	7×10～1.2×10
白雲岩	4.6×10～1.2×10
硬泥岩	6×10～2×10
蝕變花崗岩	0.6～1.5×10

裂隙岩體的滲透性主要取決於裂隙的特性、分布和組合規律，而不取決於岩塊本身。由於岩體中貫通性的裂隙組是各向異性的，所以它們的滲透性也是各向異性的。因此通過實驗所得到的滲透係數與用達西滲流定律所得到的K有差別，前者稱為當量滲透係數(Ke),即把裂隙岩體當成連續多孔介質時得出的滲透係數。某些岩體的Ke見表2。

表2岩體的當量滲透係數

類型
混合岩	3.3×10
片麻岩	1.2×10～1.9×10
偉晶花崗岩	0.6×10
褐煤層	1.7×10～23.9×10
砂岩	10
泥岩	10
灰岩	10～10

對於裂隙岩體的滲透性，從20世紀50年代以來就有多人進行理論研究和室內研究。這些研究大都是在假定岩體內各組裂隙呈規則分布,且其性狀(走向、傾向、傾角)及裂隙的間距、 寬度為已知的條件下進行的。實際裂隙岩體的滲透性要複雜得多，裂隙的連通情況、粗糙程度、充填物的性質尤難掌握。要了解岩體裂隙的綜合效應，宜在野外進行滲透試驗。

滲透試驗

岩體的野外滲透試驗有多種方法，常用的是壓水試驗和抽水試驗。壓水試驗是在鑽孔中安放止水栓塞，將試驗段與其他部分隔開,然後向試段壓水,迫使水流進入岩體，試驗結果常用單位吸水量ω表示：

ω=Q/SL，

式中Q為壓入流量（升/分）；S為壓水時試驗段所受的壓力水頭（米）；L為試驗段長度（米）。一般認為,如果壩基岩體的ω≥0.01～0.05升/（分·米2），就需要進行防滲處理。
壓水試驗結果常用呂榮做單位。M.呂榮1933年規定試驗所用壓力為10千克力/厘米2（1千克力=9.80665牛頓）。一個呂榮單位等於在規定壓力下，每米試段岩體所吸收的水量為每分鐘一升。 如果岩體的吸水量小於1呂榮,實際上可認為是不透水的,可不進行防滲處理。岩體的滲透係數可通過ω或呂榮單位估算。
抽水試驗是從鑽孔中抽水，使地下水位在鑽孔周圍發生不同程度的降落，降落後的水位軌跡有如一個漏斗，稱降落漏斗。在鑽孔中水位降深S和抽水量Q穩定以後，降落漏斗的輪廓也就大體穩定。如圖所示,H為含水層厚度；S為抽水孔水面降深；l為鑽孔進水段長度；r為抽水孔半徑；r1、r2為觀測孔至抽水孔距離;S1、S2為觀測孔水面降深。在鑽孔周圍打觀測孔，就可以確定降落漏斗的邊界，從而把漏斗的最大半徑,即影響半徑R確定下來。在Q、S和觀測孔水面降深S1、S2和滲透係數之間有一定的函式關係，據此可算出岩體的滲透係數。

有觀測孔N1、N2的抽水試驗R為影響半徑

影響岩石滲透性的其他因素

地下水的水位、流速、流向、流量、壓力以及地下水的物理和化學性質等都對岩石的滲透性有作用；岩體結構、岩體應力、岩體中的微裂隙等因素也對岩石的滲透性有影響。因此，研究岩石的滲透性，應對上述各種因素進行觀測、試驗和研究。

滲流控制

為了防止由於岩石的滲透性造成地下水滲流所帶來的危害（如增加對大壩的浮托力），應採用滲流控制措施。常用的方法是抽水、排水並對岩體進行灌漿處理（即用水泥或其他材料封堵岩體中的裂隙以降低其滲透性，或設定灌漿帷幕以延長滲透途徑）。上述方法既可以單獨使用，也可結合使用。

參考書目

米勒主編，李世平等譯：《岩石力學》，煤炭工業出版社，北京，1981。(L.Müller,　ed.,Rock Mechanics),Springer-Verlag,Wien,1974.)